Aspergillus niger souche G131 est un champignon qui produit en quantité des métabolites secondaires appartenant à la famille des naphtho-gamma-pyrones (NγPs). Ces NγPs sont des pigments qui présentent des intérêts industriels de par leurs importants potentiels antiradicalaires. L’objectif de ce doctorat est la production à l’échelle pilote et en continu de NγPs à travers la culture du champignon sur milieu solide. Le choix de la fermentation en milieu solide (FMS) comme processus de culture repose sur des aspects d’ordre qualitatif et quantitatif de production, ainsi que sur des raisons économiques et éthiques, relatives à la protection de l’environnement avec notamment la possibilité de valoriser des coproduits agricoles comme milieu de culture pour le champignon. Dans un premier temps, ce travail s’intéresse à la caractérisation de la composition et des potentialités associées aux molécules produites par la souche. Ces potentialités incluent les activités anti-radicalaires et les mesures de cytotoxicité. La thèse porte également sur la caractérisation de la physiologie de croissance de la souche en FMS et sur l’optimisation des conditions de culture par la méthodologie des plans d’expériences pour l’augmentation de la production de NγPs. Une stratégie originale d’optimisation adaptée aux contraintes posées par la FMS est d’ailleurs proposée. Finalement, un transfert d’échelle de production est réalisé au moyen d’un bioréacteur prototype innovant permettant la production à l’échelle pilote de milieu fermenté en continu. Dans son dernier chapitre, ce travail s’intéresse donc à la mise au point des paramètres opératifs qui entourent la production continue de NγPs par FMS. / Aspergillus niger strain G131 is a non-ochratoxigenic filamentous fungus producing high quantities of secondary metabolites known as naphtha-gamma-pyrones (NγPs). NγPs are pigments of industrial interest in reason of their high antioxidant properties. The aim of this dissertation is the continuous, pilote-scaled production of these NγPs through the cultivation of the fungus on solid medium. The choice of solid state fermentation (SSF) as cultivation method is not only driven by quantitative and qualitative considerations, but also by economical and ethical concerns related to environmental protection. SSF allows, in fact, a direct valorization of agricultural byproducts as the solid medium for the fungal growth. First, this work deals with the characterization of the composition and potentialities associated with the molecules produced by the strain, which include antioxidant and cytotoxic activities. Second, the dissertation focuses on the characterization of the fungal growth’s physiology on solid medium and on the optimization of the culture conditions using experimental methodology in order to increase NγPs production. For this purpose, an original optimization strategy is proposed to overcome specific constraints connected to SSF. Finally, a scale transfer of the production is advanced by means of an innovative prototype bioreactor continuously producing fermented material. The final chapter of this work addresses the development of parameters regarding the continuous NγPs production using SSF.

Les cyclodipeptides et leurs dérivés, les dicétopipérazines (DKP), constituent une large classe de métabolites secondaires aux activités biologiques remarquables qui sont essentiellement synthétisés par des microorganismes. Les voies de biosynthèse de certaines DKP contiennent des synthases de cyclodipeptides (CDPS), une famille d’enzymes récemment identifiée. Les CDPS ont la particularité de détourner les ARNt aminoacylés de leur rôle essentiel dans la synthèse protéique ribosomale pour les utiliser comme substrats et ainsi catalyser la formation des deux liaisons peptidiques de différents cyclodipeptides. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit a pour objectif de caractériser la nouvelle famille des CDPS. Dans un premier temps, la caractérisation tant structurale que mécanistique de la première CDPS identifiée, AlbC de Streptomyces noursei, est présentée. Puis, les résultats obtenus avec trois autres CDPS, chacune de ces enzymes ayant des caractéristiques adéquates pour approfondir l’étude de la famille des CDPS, sont décrits. Ainsi, la CDPS Ndas_1148 de Nocardiopsis dassonvillei a permis d’étendre nos connaissances sur les bases moléculaires de la spécificité des CDPS. La CDPS AlbC-IMI de S. sp. IMI 351155 est un bon modèle pour analyser l’interaction de chacun des deux substrats nécessaires à la formation d’un cyclodipeptide. Enfin, la caractérisation de la CDPS Nvec-CDPS2 chez l’animal Nematostella vectensis a permis de fournir le premier exemple d’enzyme d’origine animale impliquée dans la synthèse peptidique non ribosomale. / Cyclodipeptides and their derivatives, the diketopiperazines (DKPs), constitute a large class of secondary metabolites with noteworthy biological activities that are mainly synthesized by microorganisms. The biosynthetic pathways of some DKPs contain cyclodipeptide synthases (CDPSs), a newly defined family of enzymes. CDPSs hijack aminoacyl-tRNAs from their essential role in ribosomal protein synthesis to catalyze the formation of the two peptide bonds of various cyclodipeptides. The aim of the work presented in this thesis manuscript is to characterize the CDPS family. At first, the structural and mechanistic characterization of the first identified CDPS, AlbC of Streptomyces noursei, is presented. Then, the results obtained with three other CDPSs, each of which having suitable properties to increase our understanding of the CDPS family, are described. The CDPS Ndas_1148 of Nocardiopsis dassonvillei extends our knowledge of the molecular bases of the CDPS specificity. The CDPS AlbC-IMI of S. sp. IMI 351155 is a good model to analyze the interaction of each of the two substrates required for the formation of a cyclodipeptide. Finally, the characterization of the CDPS Nvec-CDPS2 from Nematostella vectensis provides the first example of enzymes of animal origin involved in nonribosomal peptide synthesis.

Les furanocoumarines (FCs) sont des métabolites secondaires principalement synthétisés chez quatre familles botaniques et dérivent de la voie de biosynthèse des phénylpropanoïdes. Ces phytoalexines interviennent dans les processus de défense de la plante et présentent un fort potentiel thérapeutique. Des travaux réalisés dans les années 1960 sur des cultures cellulaires en parallèle de l’utilisation de précurseurs radiomarqués ont permis de démontrer que de nombreuses enzymes impliquées dans cette voie appartenaient à la famille des cytochromes P450 (P450s). Seules deux d’entre elles avaient pu être identifiées d’un point de vue moléculaire au début de ce travail de thèse. Afin de générer des informations concernant le génome de plantes productrices de FCs, nous avons fait séquencer les ARNm extraits de feuilles de Pastinaca sativa, de Ruta graveolens et de Cullen cinereum. L’analyse in silico de ces trois banques de données a permis d’identifier près de 800 fragments d’ADNc codants pour des P450s. Des travaux antérieurs réalisés au laboratoire et l’analyse comparative des transcriptomes de ces 3 plantes nous ont amenés à nous focaliser sur la sous-famille CYP71AZ au travers d’une étude fine de CYP71AZ3 et CYP71AZ4. La caractérisation fonctionnelle de ces enzymes a été réalisée dans un système d’expression hétérologue eucaryote : Saccharomyces cerevisiae. Les résultats obtenus ont permis de montrer que CYP71AZ4 avait une spécificité de substrat assez large puisqu’elle pouvait métaboliser au moins une FC et 4 coumarines. L’analyse et la comparaison des constantes cinétiques pour chacun de ces substrats indiquent néanmoins que le psoralène est le substrat préférentiel. La caractérisation fonctionnelle de CYP71AZ3 a mis en évidence que cette enzyme pouvait hydroxyler l’esculétine, une coumarine, mais ne jouait aucun rôle dans la synthèse de FCs. Ces travaux mettent en évidence la diversité fonctionnelle au sein d’une même sous-famille enzymatique et permettent d’émettre des hypothèses nouvelles quant à l’apparition de cette voie de biosynthèse chez les Apiacées d’une part, et chez les autres familles botaniques d’autre part / Furanocoumarins (FCs) are secondary metabolites mainly synthetized in four botanical families deriving from the phenylpropanoid biosynthetic pathway. These phytoalexins are involved in plant defense mechanisms and present strong therapeutic potential. Early studies in the 1960s based on cell cultures and the use of radiolabeled precursors have shown that many enzymes involved in this pathway belong to the cytochrome P450 family (P450s). Only two of them had been identified from a molecular point of view at the beginning of this thesis. In order to generate information regarding the genome of plants producing FCs, we sequenced the mRNA extracted from leaves of Pastinaca sativa, Ruta graveolens, and Cullen cinereum. In silico analysis of these three libraries identified nearly 800 cDNA fragments encoding for P450s. Previous studies in the laboratory and comparative transcriptome analysis of these three plants have led us to focus on the subfamily CYP71AZ through a detailed study of CYP71AZ3 and CYP71AZ4. Functional characterization of these enzymes was performed in an eukaryote heterologous expression system: Saccharomyces cerevisiae. The results showed that CYP71AZ4 had a broad substrate specificity enough as it could metabolize one FC and 4 coumarins. The analysis and comparison of the kinetic constants for each of these substrates indicate, however, that the preferred substrate is psoralen. The functional characterization of CYP71AZ3 showed that this enzyme could hydroxylate esculetin, a coumarin, but played no role in the synthesis of FCs. This study highlights the functional diversity within a single enzyme subfamily and allows to issue new hypotheses about the emergence of this biosynthetic pathway in Apiaceae on one hand, and among other botanical families on the other hand

Avec l’apparition de plus en plus de souches de bactérie résistante aux antibiotiques, le développement de nouveaux antibiotiques est devenu une important problématique pour les agences de santé. C’est pour cela que la création de nouvelles plateformes pour accélérer la découverte de médicaments est devenu un besoin urgent. Dans les dernières décennies, la recherche était principalement orientée sur la modification de molécules préexistantes, la méta-analyse d’organismes produisant des molécules activent et l’analyse de librairies moléculaires pour trouver des molécules synthétiques activent, ce qui s’est avéré relativement inefficace. Notre but était donc de développer de nouvelles molécules avec des effets thérapeutiques de façon plus efficace à une fraction du prix et du temps comparé à ce qui se fait actuellement. Comme structure de base, nous avons utilisé des métabolites secondaires qui pouvaient altérer le fonctionnement des protéines ou l’interaction entre deux protéines. Pour générer ces molécules, j’ai concentré mes efforts sur les terpènes, une classe de métabolites secondaires qui possède un large éventail d’activités biologiques incluant des activités antibactériennes. Nous avons développé un système de chromosome artificiel de levure (YAC) qui permet à la fois l’assemblage directionnel et combinatoire de gènes qui permet la création de voies de biosynthèse artificielles. Comme preuve de concept, j’ai développé des YACs qui contiennent les gènes pour l’expression des enzymes impliquées dans la biosynthèse de la -carotène et de l’albaflavenone et produit ces molécules avec un haut rendement. Finalement, Des YACs produits à partir de librairies de gènes ont permis de créer une grande diversité de molécules. / With the appearance of more and more antibiotic resistant strains of bacteria, the development of new antibiotics becomes an issue of utmost importance for society. It is for that reason that new platforms and methodologies to accelerate the discovery of novel antibiotics are urgently needed. For the last decades, research was mainly oriented on modifying existing antibiotics, mining natural producers or screening for synthetic molecules from giant chemical libraries but these approaches did not manage to keep the pipelines filled with a sufficient number of novel antibiotics. Therefore, our goal was to develop a way to create and screen new molecules more efficiently at a fraction of the cost when compared to traditional approaches and within a short time frame. As chemical scaffolds we use natural product-like compounds that modulate the function of individual proteins or of protein-protein interactions. To generate these compounds, I focused first on the terpene scaffold class, a class containing molecules with a wide range of biological activities and includes compounds with antibacterial activities. We developed a yeast artificial chromosome (YAC) platform that allows both directional and combinatorial assembly of biosynthetic genes that can be used to create artificial biosynthetic pathways. As a proof of principle, YACs were successfully assembled containing genes coding for enzymes involved in the biosynthesis of both B-carotene and albaflavenone, and that allowed high yield production of these compounds. Finally, YACs encoding terpene gene libraries were also created and which produced a diversity of terpenoid molecules.

Les furocoumarines sont des phytoalexines offrant un potentiel thérapeutique important. Les travaux présentés ici portent sur les cytochromes P450 participant à leur voie de biosynthèse. Une étude «structure-fonction» de la cinnamate-4-hydroxylase (C4H) a été réalisée pour identifier les déterminants de la faible sensibilité de la C4H de Ruta graveolens (CYP73A32) au psoralène. Deux régions protéiques semblent impliquées dans l’inactivation différentielle entre CYP73A32 et CYP73A1. L’une, entre les résidus 31 et 58, est responsable de l’affinité pour le psoralène. L’autre, entre les résidus 229 et 379, contrôle la vitesse d’inactivation. La caractérisation de nouveaux P450 de la biosynthèse des furocoumarines a été entreprise. D’une part, plusieurs ADNc partiels ont été clonés chez Ruta graveolens. D’autre part, CYP71AJ1 isolé chez Ammi majus, a été caractérisé comme étant une psoralène synthase. La spécificité de CYP71AJ1 pour la marmésine a été approchée par l’étude d’un modèle 3D. Mots clés : cytochrome P450, psoralène synthase, cinnamate-4-Hydroxylase, C4H, métabolite secondaire, Ruta graveolens, Ammi majus, inactivation autocatalytique, furocoumarines, psoralène, (+)-marmésine, Modélisation 3D, (+)-columbianetine / Furocoumarins are phytoalexins known as efficient therapeutic agents. The work reported here focuses on cytochromes P450 involved in their biosynthesis pathway. A “structure-function” study was realized to understand how C4H from Ruta graveolens (CYP73A32) can resist to psoralen mechanism-based inactivation. Two parts of the protein seems involved in the differential susceptibility of CYP73A32 and CYP73A1 to psoralen. The first, between amino acids 31 and 58, defines differential affinity to psoralen. The second between residues 229 and 379 controls inactivation kinetic. The second part of this work was devoted to cloning and identification of new P450 involved in furocoumarin biosynthesis. On the one hand, several partial cDNA were cloned from Ruta graveolens. On the other hand, CYP71AJ1, cloned from Ammi majus, was identified as a psoralen synthase. The specificity of CYP71AJ1 for marmesin was approached by the study of a 3D model.